北理工團(tuán)隊(duì)在石墨炔的化學(xué)鍵轉(zhuǎn)換產(chǎn)電領(lǐng)域取得原創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)

發(fā)布日期：2022-07-21 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院攝影：化學(xué)與化工學(xué)院

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材料是人類(lèi)文明的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是人類(lèi)認(rèn)識(shí)和改造自然的工具。材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用是人類(lèi)社會(huì)文明和進(jìn)步的一個(gè)重要里程碑。這其中，材料的轉(zhuǎn)化一直是科學(xué)家們非常感興趣的，特別是一些新的概念、現(xiàn)象和科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

近日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院陳南副教授團(tuán)隊(duì)在石墨炔（GDY）材料研究領(lǐng)域取得了一項(xiàng)原創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)。團(tuán)隊(duì)成員提出并驗(yàn)證了GDY化學(xué)鍵轉(zhuǎn)換（烯-炔轉(zhuǎn)換，acetylenic-alkenic conversion）誘導(dǎo)的小分子之間電子轉(zhuǎn)移的生成機(jī)制。氣態(tài)H₂O分子通過(guò)定向擴(kuò)散穿過(guò)GDY框架結(jié)構(gòu)時(shí)，與GDY的炔鍵之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生感應(yīng)電信號(hào)。此外，氣態(tài)H₂O分子構(gòu)成水氣的相對(duì)濕度和溫度以及氣體的類(lèi)型（NH₃、HCl）也會(huì)影響感應(yīng)電信號(hào)輸出。與之前報(bào)道的從復(fù)雜環(huán)境（如太陽(yáng)能、摩擦電和壓電）獲取能量的方法不同，這種發(fā)電技術(shù)利用GDY中獨(dú)特的化學(xué)鍵誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移并直接獲得感應(yīng)電，將其周?chē)鎯?chǔ)的巨大能量轉(zhuǎn)換為電能。這種源于化學(xué)鍵轉(zhuǎn)換的獨(dú)特電現(xiàn)象可能為新能源研究提供了一個(gè)未開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域，并幫助我們更好地理解發(fā)電的本質(zhì)。

圖1. GDY薄膜的制備和器件特性。(a-d) GDY薄膜的表征。(e-g) GDY薄膜裝置的構(gòu)成。(h) H₂O分子穿過(guò)GDY框架結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖2. (a-d) GDY薄膜發(fā)電裝置的核心結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生規(guī)律的脈沖電信號(hào)的情況及影響因素。(e-h) GDY結(jié)構(gòu)片段與H₂O分子配位引起的電子轉(zhuǎn)移和炔烴轉(zhuǎn)化的機(jī)制示意圖及相關(guān)理論計(jì)算。(i-l) 溫度和分子種類(lèi)對(duì)產(chǎn)電信號(hào)的影響。

GDY中具有特殊分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的產(chǎn)電現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，為能量形態(tài)變化的發(fā)展開(kāi)辟了新的方向，促進(jìn)了新能源的開(kāi)發(fā)和實(shí)踐。此外，感應(yīng)電在未來(lái)有潛力用作能量轉(zhuǎn)換和電能儲(chǔ)存，以及用于快速檢測(cè)和識(shí)別特定系統(tǒng)中的某些小分子。這一重要的研究成果以“Chemical bond conversion directly drives power generation on the surface of graphdiyne”為題發(fā)表在《物質(zhì)》期刊上（ Matter , 2022, DOI: 10.1016/j.matt.2022.06.045）。本工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、北京理工大學(xué)創(chuàng)新人才科技資助專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃（青拔）等多個(gè)項(xiàng)目的資助。文章的第一和通訊作者是陳南副教授，第一單位為北京理工大學(xué)。

附個(gè)人簡(jiǎn)介：

陳南，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師。專(zhuān)注于無(wú)機(jī)納米化學(xué)為基礎(chǔ)的交叉科學(xué)，具體涉及π共軛體系的碳基雜化材料/結(jié)構(gòu)及其在能量轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域的研究與應(yīng)用。作為第一/通訊作者在 Angew. Chem. Int. Ed. 、Nat. Commun. 、Adv. Mater. 、ACS Nano 、ACS Energy Lett. 、Adv. Func. Mater. 等國(guó)際權(quán)威SCI學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文40余篇。申請(qǐng)/授權(quán)中國(guó)、日本、美國(guó)專(zhuān)利7項(xiàng)。

主頁(yè)：https://cce.bit.edu.cn/docs/2021-10/5aa13d5af2f94900b825ed956d0c9ae8.pdf

北理工團(tuán)隊(duì)在石墨炔的化學(xué)鍵轉(zhuǎn)換產(chǎn)電領(lǐng)域取得原創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)

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